Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
ЭЛЕКТРОНИКА И ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКАСтр 1 из 7Следующая ⇒
ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОНИКА И ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОНИкА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов технических специальностей очной и заочной формы обучения (вариант II)
Составитель: А.Э. Сидорова, ассистент
Тюмень ТюмГНГУ 2014
Электроника; электроника и микропроцессорная техника [Текст]: Методические указания к выполнению курсовой работы / сост. А. Э. Сидорова; Тюменский государственный нефтегазовый университет.– Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.– 51 с.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры кибернетических систем « __»____________________ 2015 года, протокол № 8.
Аннотация
Методические указания к выполнению курсовой работы (вариант II) предназначены для студентов, обучающихся по техническим специальностям. Дисциплина изучается в одном или двух семестрах. Приведено содержание упрощенного инженерного расчета автогенератора с мостом Вина, работающего на низкоомную нагрузку, примерные задания и количество баллов за каждый элемент защиты курсовой работы, в приложениях приведено содержание курсовой работы, вид титульного листа, ряды номинальных базовых электронных элементов.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................................................................................ 4 1. Задание на курсовую работу....................................................................................... 5 2. Выбор блок-схемы........................................................................................................ 6 3. Расчет элементов используемых в схеме:.................................................................. 6 3.1Выходной усилительный каскад.......................................................................... 6 3.2 Эмиттерный повторитель №3 на транзисторах VT8, VT7................................ 13 3.3 Аттенюатор........................................................................................................... 15 3.4 Эмиттерный повторитель №2 на транзисторах VT6, VT5................................ 17 3.5 Цепь Вина.............................................................................................................. 20 3.6 Отрицательная нелинейная обратная связь....................................................... 22 3.7 Предварительный усилитель на транзисторах VT4, VT3................................ 23 3.8 Эмиттерный повторитель №1 на транзисторах VT2, VT1.............................. 28 4. Расчет разделительных конденсаторов..................................................................... 30 5. Расчет параметрических стабилизаторов напряжения............................................ 31 6. Расчет радиаторов....................................................................................................... 34 7. Расчет АФХ и ФЧХ усилителя на транзисторе VT4................................................ 35 8. Карты режимов............................................................................................................. 37 9. Спецификация элементов........................................................................................... 38 10. Список использованных источников...................................................................... 39 Приложение А........................................................................................................... 40 Приложение Б............................................................................................................ 41 Приложение В........................................................................................................... 42
Введение Цель и задачи курсовой работы Целью выполнения курсовой работы является проведение упрощенного инженерного расчета усилителя мощности. Основными задачами выполнения курсовой работы является формирование у студентов необходимых знаний основных электротехнических законов и методов инженерного расчета автогенератора с мостом Вина, работающего на низкоомную нагрузку. Упрощенный инженерный расчет предполагает проведение самых элементарных вычислений с использованием графиков, заранее построенных на основе обобщенных результатов моделирования, вместо того, чтобы каждый раз обращаться к решению исходных дифференциальных уравнений. В результате выполнения курсовой работы студент должен знать: - основные законы электротехники; - принципы работы основных электрических узлов и схем, особенности их применения, их рабочие характеристики; - элементную базу современных полупроводниковых устройств; - основные требования к устройству электроустановок; - базовые элементы электроники, их свойства и сравнительные характеристики; - параметры и характеристики полупроводниковых приборов; - параметры и характеристики основных функциональных узлов электронных устройств; - свойства и характеристики интегральных схем элементов. уметь: - читать электрические и электронные схемы; - грамотно применять в своей работе электротехнические и электронные устройства и приборы, первичные преобразователи и исполнительные механизмы; - использовать пакеты прикладных программ для произведения инженерных и прочих расчетов, такие как Mathcad; - подбирать необходимую аппаратуру для проведения измерений в цепи с заданными параметрами; - формулировать принципы энергосберегающих технологий; - проектировать и строить основные функциональные узлы электронных устройств автоматических и автоматизированных систем. владеть: - методами инженерных расчетов для различных электронных узлов и устройств; - способность анализировать работу электронных схем в нормальном режиме; - умением принимать решения при выборе и анализе различных электронных элементов; - навыками письменного и устного аргументированного изложения собственной точки зрения. Порядок защиты курсовой работы В начале семестра выдается задание на курсовую работу, в течение семестра студенты выполняют расчет и проектируют принципиальную электрическую схему устройства, затем оформляют работу в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления». Затем студенты предоставляют пояснительную записку к курсовой работе и графическую часть. После проверки правильности оформления и расчета студенты защищают курсовую работу. Критерии оценки работы студента Критерии оценки в баллах приведены в таблице:
1. Задание на курсовую работу:
Спроектировать электронное устройство, учитывая параметры, приведенные в техническом задании (пример):
Требования, предъявляемые к выполнению курсовой работы: 1. Использовать при расчетах среднее значение β транзистора, приведенное в справочнике, но не более 150. 3. Во всех каскадах ввести обратную отрицательную связь с глубиной не менее 5, т.е. F≥ 5. 4. Для одного из каскадов рассчитать АЧХ и ФЧХ до М=√ 2. 5. Привести карту режимов и спецификацию элементов. 6. Все элементы должны быть пронумерованы. Нумерация элементов сквозная. 7. Отклонение всех параметров от расчетных (заданных) не более ±10%. 8. В аттенюаторе регулировка плавная и дискретная. 9. Значения резисторов и конденсаторов выбираются в соответствии номиналами (использовать ряд Е24). 10. Оформление курсовой работы согласно ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления». 11. Привести информацию об изготовлении печатных и монтажных плат. 12. Спроектировать принципиальную электрическую схему электронного устройства и привести в графической части работы на листе формата А3, с использованием пакета прикладных программ (таких как AutoCAD, sPlan 7 Portable Rus и т.п.) Обязательные пункты, входящие в содержание курсовой работы приведены в приложении А. Пример титульного листа приведен в приложении Б. Ряды номинальных базовых электронных элементов приведены в приложении В. В соответствии с рядом Е24 необходимо привести к номинальному значению все сопротивления в расчете, которые имеют порядковые номера (например R41) Далее приведен упрощенный инженерный расчет электронного устройства – АВТОГЕНЕРАТОРА С МОСТОМ ВИНА.
Выбор блок-схемы Автономный источник синусоидальных колебаний, работающий в режиме самовозбуждения, называется генератором. Он является преобразователем энергии источника питания в энергию колебаний переменного тока требуемой частоты. RC-генераторами называются автогенераторы, частота входных колебаний которых определяется цепями, состоящими из сопротивлений и емкостей. Структурная схема RC-автогенератора с мостом Вина может быть представлена в виде замкнутой системы. Рис. 1 Блок-схема автогенератора с мостом Вина
Источник питания (на схеме не обозначен); Ø Цепь Вина используется как частотозадающая цепь; Ø Повторитель ( П1 ) служит для согласования фазирующей цепи с усилителем напряжения по сопротивлению; Ø Усилители напряжения ( УН1, УН2 ) обеспечивают баланс фаз и баланс амплитуд (при введении нелинейной отрицательной обратной связи);. Ø Повторители ( П2 и П3 ) согласуют задающий генератор с усилителем мощности по сопротивлению и обеспечивающих необходимый режим работы аттенюатора Ø Аттенюатор ( АТТ ) служит для плавной и ступенчатой регулировки уровня ослабления выходного напряжения. Ø Усилитель мощности ( УМ ), охваченный отрицательной обратной связью, предназначен для обеспечения заданной мощности на заданном сопротивлении нагрузки. Аттенюатор Рис. 4 Принципиальная электрическая схема аттенюатора Аттенюатор – это устройство, уменьшающее амплитуду сигнала без искажения его формы. Аттенюатор с помощью резистора R25 обеспечивает плавную регулировку и при помощи резисторов R22-R24 – дискретную. Т.о. аттенюатор должен обеспечивать дискретное переключение диапазонов и плавное изменение сигнала внутри них:
В техническом задании нам дан аттенюатор со следующими ослаблениями: 0; -X; -Y; -Z. Разобьем на участки: (-Z; -Y); (-Y; -X); (-X; 0). Примем R25=3300 Ом, чтобы получался не слишком большой разброс между крайними значениями резисторов . В качестве потенциометра R25 выберем резистор с сопротивлением в пределах от 2, 0 до 5, 1 кОм. Диапазон ослабления определяется следующим образом: . (дБ) Отсюда (Ом) 1. дБ. (Ом) Принимаем значение R22= Ом, в соответствии с рядом Е24. Тогда ослабление будет несколько отличатся от заданного, реально получаем: (дБ) 2. дБ. (Ом) Принимаем значение R23= Ом, в соответствии с рядом Е24. Тогда ослабление будет несколько отличатся от заданного, реально получаем: (дБ) 3. дБ. (Ом) Принимаем значение R24= Ом, в соответствии с рядом Е24. Тогда ослабление будет несколько отличатся от заданного, реально получаем: (дБ) Определим токи проходящие через сопротивления аттенюатора: (мА), где входное напряжение аттенюатора соответствует входному напряжению эмиттерного повторителя на транзисторах VT7- VT8: UвхА=UвхП3 (мА) (мА) (мА)
Рассчитаем мощность, рассеиваемую на резисторах аттенюатора: (Вт) 3.4 Эмиттерный повторитель №2 на транзисторах VT6, VT5
Рис.5 Принципиальная электрическая схема эмиттерного повторителя №2 на транзисторах VT6, VT5
В качестве нагрузки данного эмиттерного повторителя примем R25 аттенюатора: UН = UBX А (В) RН = R25 (Ом)
1. Примем значение тока покоя транзистора VT6 равным 5 мА IП6 = 5 (мА) 2. Рассчитаем напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора VT6: UКЭ6 = Uн+U0 (В) 3. Определим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT6: PК6 = UКЭ6·IП6 (Вт) 4. Выбираем транзисторы VT5, VT6, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:
5. Зададимся напряжением питания из расчета, что: Ек=2∙ Uкэ6 (В) Принимаем ЕК = (В), в соответствии с рядом напряжений источников питания. 6. Определим ток базы транзистора VT6: (А), При этом, Iк6< < Ikmax. 7. Определим ток базы и ток покоя транзистора VT7: По графику зависимости от тока эмиттера определяем, что =(7-10). (А) (А) 8. Примем ток делителя (А) 9. Определим сопротивление резистора в цепи эмиттера транзистора VT6:
IR21=Iб6+IП6 (А) (Ом) Принимаем R21 = (Oм) В соответствии с этим пересчитаем значения напряжений на участке коллектор-эмиттер транзистора VT6 и определим падение напряжения на резисторе 21: UКЭ6=ЕК-R21∙ IR21 (В) UR21=R21∙ IR21 (В) 10. Примем значение сопротивления R20 максимально большим (≈ 3900-15000 Ом): R20 = (Ом) Тогда: IR20= Iб5 (А) UR20=R20∙ IR20 (В) 11.Определим резисторы в цепи делителя (А) Uбэ5, Uбэ6 примем равными 0, 7 В (Ом) Принимаем R19 = (Ом) UR19=R19∙ IR19 (В) Пересчитаем значение напряжения Uбэ5: (В) (А) (Ом) Принимаем R18 = (Ом)
12.Определим RЭ~: RЭ~ = RH || R19 || R21 || R18 (Ом) 13.Определим коэффициент передачи повторителя: (Ом)
14. Определим входное сопротивление повторителя (Ом) 15. Определим выходное сопротивление повторителя RВЫХП = rЭ6 (Ом) 16. Определим значение емкости С21: (мкФ) Примем С21= (мкФ)
Определим входное напряжение повторителя: (В) Перед тем как начать расчет усилителя напряжения нам надо рассчитать входное сопротивление моста Вина, учесть отрицательную обратную связь, которую мы вводим для стабилизации коэффициента усиления, а значит и выходного сигнала. Цепь Вина
Рис. 6 Принципиальная электрическая схема цепи Вина
Перед тем как начать расчет усилителя напряжения нам надо рассчитать входное сопротивление моста Вина, учесть отрицательную обратную связь, которую мы вводим для стабилизации коэффициента усиления, а значит и выходного сигнала. Изменение частоты производится дискретно (грубо) с помощью конденсаторов и плавно с помощью переменных резисторов. Входное сопротивление моста Вина определяется следующим образом: На частоте квазирезонанса следовательно: Выходное сопротивление моста Вина определяется: На частоте квазирезонанса Нагрузкой для моста Вина является эмиттерный повторитель на транзисторах VT1 и VT2, поэтому предположим, что входное сопротивление эмиттерного повторителя будет максимально большим – в пределах от 150 до 250 кОм. Для того, чтобы Rвхп не шунтировало мост Вина: (Ом) (Ом) Примем значения сопротивлений резисторов цепи Вина R1 и R3, равными максимальному значению сопротивления цепи Вина (RmaxЦВ), а значения R2 и R4, равными минимальному значению (RmixЦВ). R1=R3= (Ом), а R2=R4= (Ом). Определим значение выходного сопротивления цепи Вина: (Ом) (Ом) Определим значение входного сопротивления цепи Вина: (Ом) (Ом)
Рассчитаем ёмкости C1÷ С12:
1. Для первого диапазона (X) Гц ¸ (10X) Гц, (Х=fн из технического задания), при R1+R2= Ом: (Ф), принимаем = (Ф) Пересчитаем значения первого частотного диапазона в соответствии с принятыми значениями емкостей конденсаторов С1, С2: (Ф), (Ф) 2. Для второго диапазона (10X) Гц ¸ (100X) Гц: (Ф) принимаем C3=C4= (Ф) Пересчитаем значения второго частотного диапазона в соответствии с принятыми значениями емкостей конденсаторов С3, С4: (Ф), (Ф)
3. Для третьего диапазона (100X) Гц ¸ (1000X) Гц: (Ф) принимаем C5=C6= (Ф) Пересчитаем значения третьего частотного диапазона в соответствии с принятыми значениями емкостей конденсаторов C5=C6: (Ф), (Ф)
Определим токи, протекающие в резисторах:
(А) (А) Предварительный усилитель Рис. 7 Принципиальная электрическая схема предварительного усилителя
Этот усилитель выполняет две основные функции: à обеспечивает баланс фаз à обеспечивает коэффициент усиления ³ 3
Рассчитаем элементы, относящиеся к усилительному каскаду на транзисторе VT4. Усилитель напряжения работает на нагрузку (эмиттерный повторитель), на мост Вина, на ООС. Uвых.у = Uвх.п2 = (В) Rн. у = RООС||RвхЦВmin.||Rвхп2 (Ом)
Определим ток в нагрузке: (А) Зададимся IKmin4 и UКЭmin4 : (мА) (В) Определим IKMAX4 IKmax4 = (2~5) ∙ (2·IH4 + IKmin4) (А) Определим l4:
Определим напряжение питания: Зададимся g4 = 0, 05 (В) Принимаем ЕК = (В) Пересчитаем g4
Определяем значение сопротивления резистора в цепи коллектора транзистора VT4: (Ом) Принимаем R16 = (Ом) Определим падение напряжения на резисторе R17 и величину напряжения, до которого зарядится конденсатор С20: UR17 = EK · g4 (В) UC20 = ∙ Uвых.у. + UКЭmin4 + UR17 (В) Определим покоя транзистора VT4 - IП4: (мА) Определим напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора VT4 - UКЭ4: UКЭ4 = EK – (IП4+ IKmin4) ∙ R16 - UR17 (В) Определим допустимую мощность, рассеиваемую на транзисторе VT4: PКДОП = IП4 · UКЭ4 (Вт) Выбираем транзистор VT4, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:
Так как значение Ik0 сильно отличается от IKmin4, то произведем перерасчет с учетом того, что IKmin4= Iko=30 мкА Определим максимальный ток коллектора транзистора VT4 - IKmax4 : IKmax4 = (2~5) ∙ · (2·IH4 + IKmin4) (мА) Определим ток базы транзистора VT4: (мА) Определим резистор в цепи эмиттера (Ом) По ряду Е24 принимаем R17= Ом. Определим ток делителя: IД = (2~5)· IБ4 (мА) Определим значения сопротивлений резисторов делителя базы: UR16=R16∙ ( ) (В) (Ом) Принимаем R14= (Ом) UБЭ4= -R14∙ ( ) (В) (Ом) Принимаем R15= (Ом) (А) Определим значение емкости конденсатора в цепи эмиттера: (Ф) Принимаем С19 = (мкФ) Определим коэффициент усиления каскада на транзисторе VT4: , где значение сопротивления в области базы примем rБ4 = 400 (Ом). (Ом) Rк~4 = RH4 || R16 (Ом) Определим входное и выходное сопротивления каскада на транзисторе VT4: RВХ4= R14 || R15 || (rБ4 + rЭ4· (1+b4)) (Ом) rК4 = (Ом) RВЫХ4 = rK4 || R16 (Ом) Определим входное напряжение каскада на транзисторе VT4: (В) Рассчитаем элементы, относящиеся к усилительному каскаду на транзисторе VT3. UВЫХ.У. = Uвх4 (В) RН.У. = RВХ4= (Ом) Определим ток в нагрузке: (мА) Зададимся значениями тока и напряжения IKmin3 и UКЭmin3: (мА) (В) Определим максимальное значение тока коллектора транзистора VT3 - IKMAX3 :
IKmax3 = (2~5) · (2·IH3 + IKmin3) (мА) Определим величину :
Определяем значение сопротивления резистора в цепи коллектора транзистора VT3: (Ом) Принимаем R11 = (Ом) Определим падение напряжения на разделительном конденсаторе С17: UC17 = ∙ UВЫХ.У. + UКЭmin3 + UR12 (В) Определим ток покоя транзистора VT3IП3: (мА) Определим значения напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора VT3:
UКЭ3 = EK – (IП3+ IKmin3)· R11 - UR12 (В) Определим допустимую мощность, рассеиваемую на транзисторе VT3:
PКДОП = IП3 · UКЭ3 (Вт) Выбираем транзистор VT3, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:
Определим ток базы транзистора VT3: (мА) Определим значение сопротивления резистора в цепи эмиттера: (Ом) По ряду Е24 принимаем R12= (Ом) Определим ток делителя: IД = (2~5)· Iб3 (мА) Определим значение сопротивлений резисторов делителя базы: UR11=R11∙ ( ) (В) (Ом) Принимаем R10= (Ом)
UБЭ3= -R10∙ ( ) (В)
(Ом) Принимаем R9= (Ом) (А) Определим значение емкости конденсатора в цепи эмиттера: (Ф) Принимаем С16 = (Ф) Определим коэффициент усиления каскада (без ООС) на транзисторе VT3:
где: rБ3 = 400 (Ом) (Ом) RK~3 = RH3 || R11 (Ом)
Определим входное сопротивление каскада на транзисторе VT3: RВХ3=R10||R9||(rб3+rэ3 (1+b3)) (Ом) Определим выходное сопротивление каскада на транзисторе VT3: rК3 = (Ом) RВЫХ4 = rK3 || R11 (Ом) Определим общий коэффициент усиления каскадов:
K=K3∙ K4
Определим входное напряжение предварительного усилителя: (В)
3.8 Эмиттерный повторитель №1 на транзисторах VT2, VT1 Рис.8 Принципиальная электрическая схема эмиттерного повторителя №1 на транзисторах VT2, VT1
Нагрузкой этого эмиттерного повторителя является предварительный усилитель, поэтому: UН = UBX.У= (В) RН = RВХ.3= (Ом)
Примем значение тока покоя транзистора VT2 равным 5 мА IП2 = 5 (мА) Примем значение максимального напряжения на участке коллектор-эмиттер равным 20 В, тогда минимальное значение этого напряжения составит: UКЭ2min= 0, 1∙ UКЭ2max = 2 (В) Рассчитаем значение напряжения UКЭ2: UКЭ2=Uн+ UКЭ2min (В) Определим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT2: PК2= UКЭ2·IП2 (Вт) Определим напряжение источника питания: Ек=2∙ UКЭ2 (В) Примем Ек= (В)
Выбираем транзисторы VT1, VT2, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:
Определим ток базы транзистора VT2: (мА) Определим ток базы и ток покоя транзистора VT1: По графику зависимости от тока эмиттера определяем, что ≈ 7, 5. (А) (А) Примем значение тока делителя равным: (А) Определим значение сопротивления резистора в цепи эмиттера транзистора VT2: IR8=Iб2+IП2 ( А) (Ом) Принимаем R8 = (Oм) UКЭ2=ЕК-R8∙ IR8 (В) UR8=R8∙ IR8 (В) Примем значение сопротивления резистора R7 =6200 Ом: Тогда: IR7= Iб1 (А) UR7=R7∙ IR7 (В) Определим значение сопротивлений резисторов в цепи делителя: (А) (Ом) Принимаем R5 = (Ом) UR5=R5∙ IR5 (В) (В) (А) (Ом) Принимаем R6 = (Ом) Будем вести расчет эмиттерного повторителя по переменному току: Определим эквивалентное сопротивление эмиттера RЭ~ : RЭ~ = RH || R5 || R6 || R8 (Ом) Определим коэффициент передачи повторителя: (Ом) . Определим входное сопротивление повторителя: (Ом) Определим выходное сопротивление повторителя: RВЫХ.П = rЭ2 (Ом) Определим значение емкости конденсатора С14: (Ф) Примем С14= (мкФ) Определим входное напряжение повторителя: (В)
Конденсатор С13. (Ом); (Ом); Выбираем конденсатор С13 типа ( ) на( ) мкФ, ( ) В. Конденсатор С15. (Ом); (Ом); Конденсатор С17. (Ом); (Ом); Конденсатор С20. (Ом); (Ом); Конденсатор С22. (Ом); (Ом); Конденсатор С23. (Ом); (Ом); Конденсатор С25. (Ом); (Ом); Конденсатор С26. (Ом); (Ом); Конденсатор С31. (Ом); (Ом);
Расчет радиаторов
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-17; Просмотров: 511; Нарушение авторского права страницы